Ограничения эксперимента на модели

• — не поддерживается подзарядка узла совместно с другими режимами работы;
• — учтены не все физические характеристики канала передачи данных;
• — используются модельные значения заимствования энергии, которые получает узел;
• — экспериментальная модель требует уточнений;
• — сравнение с существующим протоколом весьма условно, необходимо стандартизировать проводимые измерения.

Эксперимент

Входные параметры Параметры для расчета расхода энергии приведены в таблице 6 и являются не неизменяемыми. Эти параметры используются для расчета расхода энергии в протоколе LEACH, с которым производится сравнение. Расчет расхода энергии происходит по формуле (8), согласно которой текущее значение энергии уменьшается на величину, зависящую от параметра distance. Параметр distance, в свою очередь, изменяется в зависимости от расположения узлов по формуле (8).

Таблица 6 Данные для расчета расхода энергии.

(8).

(9).

В процессе исследования разработанной модели планируется изменять следующие входные параметры для того, чтобы выявить тенденцию в расходовании энергии сетью:

• — плотность узлов;
• — количество узлов:
• — число раундов работы;

К примеру, расположение и плотность узлов может варьироваться от 9 узлов, представленного на рис. 8 до 40 узлов и плотности их расположения, представленной на рис. 9.

Рисунок 8 — Расположение узлов сенсорной сети для n=9.

Рисунок 9 — Расположение узлов сенсорной сети для n=40.

Исследовать и проводить сравнение предложенного метода на основе нейронных сетей и существующего протокола LEACH предлагается путем оценки следующих выходных характеристик:

• — суммарные значения энергии, оставшейся на узлах сети в зависимости от изменяющихся входных параметров;
• — количество узлов, энергия которых исчерпана раньше заявленного количества раундов работы.

Результаты эксперимента Результаты эксперимента приведены по пунктам:

• 1. Зависимость остаточной энергии от количества и плотности расположения узлов.
• 2. Зависимость остаточной энергии от увеличения площади помещения.
• 3. Зависимость остаточной энергии от количества раундов.

Зависимость энергии от количества узлов Изменяемым параметром в этом случае является количество узлов моделируемой сети при неизменяемой площади помещения, в котором они находятся. То есть исследуется повышение плотности расположения узлов сенсорной сети. Также, в зависимости от количества узлов, меняется количественное соотношение между узлами различных типов: NodeScavenger, NodeReceiver, NodeTransmitter, NodeComputer, за счет чего изменяются данные потребления энергии.

Исследование закономерностей проводится в соответствии с исходными данными из таблицы 7.

Таблица 7 Данные для исследования зависимости энергии от числа узлов.

Результаты исследования приведены в таблице 8, которой соответствует график на рис. 10.

Метод 1 — разрабатываемый метод с поддержкой распределенных вычислений, метод 2 — метод без поддержки распределенных вычислений на основе протокола LEACH.

Таблица 8 Результаты исследования.

Исходя из полученных результатов в таблице 9, можно сделать вывод, что с увеличением количества узлов сенсорной сети, которые способны подзаряжаться от окружающей среды, растет количество энергии на узлах сенсорной сети, остающееся после истечения заявленного количества раундов. То есть, с точки зрения энергоэффективности, выгодно повышать плотность расположения узлов сенсорной сети.

Рисунок 10 — График зависимости энергопотребления сети от плотности расположения узлов для Метода 1, Метода 2.

Зависимость остаточной энергии от увеличения площади помещения Изменяемым параметром в этом случае является площадь помещения, где располагаются узлы сенсорной сети. Причем, количество узлов моделируемой сети остается неизменным. То есть исследуется понижение плотности расположения узлов сенсорной сети. Исследование закономерностей проводится в соответствии с исходными данными из таблицы 9.

Таблица 9 Данные для исследования зависимости энергии от площади помещения.

Метод 1 — разрабатываемый метод с поддержкой распределенных вычислений, метод 2 — метод без поддержки распределенных вычислений на основе протокола LEACH.

Результаты позволяют сделать вывод о том, что площадь помещения от 50 до 150 м². Пи дальнейшем увеличении плотность узлов уменьшается и энергопотребление возрастает. Об этом свидетельствует возрастающий график до значения 150 м² и убывающий после этой границы.

Таким образом, с точки зрения энергоэффективности, для распределения 30 узлов выгодно выбирать размер помещения что площадь помещения от 50 до 150 м².

Результаты исследования приведены в таблице 10, которой соответствует график на рисунке 11.

Таблица 10 Результаты исследования.

Рисунок 11 — График зависимости энергопотребления сети от площади помещения для Метода 1, Метода 2.

Зависимость остаточной энергии от количества раундов. Изменяемым параметром в этом случае является количество раундов моделируемой сети при неизменяемой площади помещения и количестве узлов в сети. То есть, исследуется расход энергии в зависимости от времени ее работы. Логичным будет предположить, что при увеличении раундов, сеть будет расходовать больше энергии. Но необходимо исследовать на сколько сильно влияет на энергопотребление наличие возможности заимствования энергии от окружающей среды, а также сравнить значения остаточной энергии сравниваемых подходов. Метод 1 — разрабатываемый метод с поддержкой распределенных вычислений, метод 2 — метод без поддержки распределенных вычислений на основе протокола LEACH. Исследование закономерностей проводится в соответствии с исходными данными из таблицы 11.

Таблица 11 Данные для исследования зависимости энергии от числа раундов.

Результаты позволяют сделать вывод о том, что с увеличением количества раундов работы сенсорной сети и наличии заимствования энергии, энергопотребление падает, а при достижении 400−500 раундов начинает повышаться. Об этом свидетельствует возрастающий график остаточной энергии на узлах сети от количества раундов работы. То, есть полученный результат не совпадает с ожидаемым.

Интересно заметить, что после достижения количества раундов значения 100, рост выигрыша в энергопотреблении замедляется.

Таким образом, с точки зрения энергоэффективности, выгодно повышать количество раундов примерно до значения 350.

Полученные результаты приведены в таблице 12 и на рис. 12, 13.

Таблица 12 Результаты исследования.

Рисунок 12 — График зависимости энергопотребления сети от количества раундов для Метода 1.

Рисунок 13 — График зависимости энергопотребления сети от количества раундов для Метода 1, Метода 2.

Применение беспроводных сенсорных сетей широко распространено в современном мире и предоставляет существенные преимущества, среди которых: оперативность и простота развертывания и обслуживания сети, надежность и отказоустойчивость, легкая масштабируемость, стойкость к электромагнитным помехам, длительное время автономной работы, возможность зарядки аккумулятора от окружающей средыВ выпускной квалификационной работе исследуется возможность организации вычислений непосредственно на самих узлах передачи данных, для того чтобы отойти от клиент-серверной модели в пользу децентрализованной модели сети, поддерживающей распределенные вычисления. Таким образом, разрабатываемая модель сети содержит узлы передачи данных, которые взаимодействуют преимущественно между собой, а не с сервером, и отправляют данные без участия координатора.

Исследования в области БСС ведутся, в основном, с целью разработать наиболее энергоэффективные протоколы маршрутизации, которые стремятся решить проблему неравномерного потребления энергии узлами сети. Во всех энергоэффективных протоколах используется динамическая реконфигурация топологии сети. В предложенном методе также использована динамическая реконфигурация, так как состояние, в котором находится каждый узел сенсорной сети изменяется с течением времени, и это изменение влияет на состояние сети.

В работе исследуется проблема актуальности выполнения распределенных вычислений в беспроводной сенсорной сети. Реализованная модель с поддержкой распределенных вычислений, в рамках эксперимента, имеет ограничения, которые касаются физической составляющей передачи данных. Подробно ограничения описаны в разделе 5.7 Ограничения эксперимента на модели [Глава 5]. В связи с этим необходимо уделить дополнительное внимание доработки модели беспроводной сенсорной сети распределенных вычислений.